Michael Eggert

Measurement uncertainty and temporal resolution of Doppler global velocimetry using laser frequency modulation

A Doppler global velocimetry (DGV) measurement technique with a sinusoidal laser frequency modulation is presented for measuring velocity fields in fluid flows. A cesium absorption cell is used for the conversion of the Doppler shift frequency into a change in light intensity, which can be measured by a fiber coupled avalanche photo diode array. Because of a harmonic analysis of the detector element signals, no errors due to detector offset drifts occur and no reference detector array is necessary for measuring the scattered light power. Hence, large errors such as image misalignment errors and beam split errors are eliminated. Furthermore, the measurement system is also capable of achieving high measurement rates up to the modulation frequency (100 kHz) and thus opens new perspectives to multiple point investigations of instationary flows, e.g., for turbulence analysis. A fundamental measurement uncertainty analysis based on the theory of Cramér and Rao is given and validated by experimental results. The current relation between time resolution and measurement uncertainty, as well as further optimization strategies, are discussed.

Array Doppler Global Velocimeter with Laser Frequency Modulation for Turbulent Flow Analysis – Sensor Investigation and Application

Velocity field measurement results of a Doppler global velocimeter (DGV) using sinusoidal laser frequency modulation are presented. Contrary to conventional DGV systems, which suffer from low temporal resolutions of several seconds, the novel DGV system allows measurement rates up to 100 kHz. The high temporal resolution is afforded by using a fibre-coupled detector array, which has a higher bandwidth than conventionally applied cameras. Additionally, low uncertainties can be achieved in contrast to conventional DGV since no second reference detector unit is necessary. The optimised set-up is capable of acquiring turbulence spectra simultaneously at multiple points. The measurement data from the wake of a cylinder agrees well with comparison measurements using hot-wire anemometry and correctly yields the Karman vortex frequency.With the novel DGV, turbulence spectra up to about 10 kHz were resolved. Further measurement results illustrate the high potential of the described technique for non-invasive, temporally resolved, imaging flow inspection e.g. in turbomachines.

Doppler-Global-Velozimetrie mit Laserfrequenzmodulation zur präzisen Messung von Geschwindigkeitsprofilen (Doppler Global Velocimetry with Laser Frequency Modulation for Precise Measurements of Velocity Profiles)

Abstract Es wird ein neuartiges Doppler-Global-Velozimetrie(DGV)-Verfahren mit Laserfrequenzmodulation zur berührungslosen flächenhaften Geschwindigkeitsmessung in einer Strömung beschrieben. Die DGV-Technik beruht auf der Auswertung der Intensitätsänderung, die durch eine Laserfrequenzänderung aufgrund des Doppler-Effektes an der Flanke einer molekularen Absorptionskennlinie hervorgerufen wird. Bei dem konventionellen DGV-Verfahren werden zwecks Referenzierung zwei Kameras verwendet. Dadurch können so genannte Bildausrichtungsfehler auftreten, die das Messergebnis wesentlich verfälschen. Bei dem neuen DGV-Verfahren mit Laserfrequenzmodulation wird hingegen nur eine Kamera benötigt, sodass Bildausrichtungsfehler entfallen und eine geringere Messunsicherheit erreicht werden kann. Es wird experimentell gezeigt, dass bei dem neuen Verfahren Streulichtintensitätsschwankungen die Messunsicherheit nicht beeinträchtigen, falls die Modulation der Laserfrequenz hinreichend schnell ist. Die minimal gemessene Messunsicherheit betrug 0.02 m/s.

Messunsicherheitsschranke der Doppler-Global-Velozimetrie mit LaserfrequenzmodulationFundamental Measurement Uncertainty Limits of Doppler Global Velocimetry with Laser Frequency Modulation

Zusammenfassung Es wird ein Doppler-Global-Velozimeter mit sinusförmiger Laserfrequenzmodulation (FM-DGV) vorgestellt, mit welchem Geschwindigkeitsfelder in Strömungen berührungslos gemessen werden können. Eingesetzt wird dabei ein Diodenlaser (852,36 nm), eine Cäsium-Absorptionszelle und ein fasergekoppeltes Lawinenphotodiodenarray. Die minimal erreichbare Messunsicherheit wird anhand einer Berechnung der Cramér-Rao-Schranke abgeschätzt und mit der der konventionellen DGV-Messtechnik verglichen. Die betrachteten Rauschquellen sind das Quantenschrotrauschen sowie das thermische und Dunkelstromrauschen der Photodetektoren. Die Berechnungen zeigen in Übereinstimmung mit Messungen, dass minimal 0,03 m/s bei einer Streulichtleistung von 3nW, einer Zeitauflösung von 16 ms und bei einem minimalen NEP-Wert des Detektors von 35 fW/√Hz erreicht werden können. Zwar wird für die betrachteten Störquellen die resultierende Unsicherheit bei konventionellen DGV-Systemen als ähnlich hoch abgeschätzt, jedoch entfallen beim FM-DGV die u. U. hohen Bildausrichtungs- und Strahlteilungsfehler, da keine Referenzkamera benötigt wird. Es ergeben sich somit vielversprechende Perspektiven in der Anwendung z.B. bei der präzisen Vermessung von 2D3K-Strömungsgeschwindigkeiten in Turbomaschinen und, aufgrund der möglichen hohen Zeitauflösung von bis zu 10 μs, bei der simultanen ortsaufgelösten Messung von Geschwindigkeitsspektren im Rahmen einer Turbulenzanalyse.

Doppler Global Velocimetry with sinusoidal laser frequency modulation and a molecular absorption cell: Error investigation

We present a novel Doppler global velocimetry (DGV) system using a single-frequency laser with sinusoidal laser frequency modulation for measuring three component velocity fields in a plane of a flow. Here, the velocity dependent Doppler frequency shift of laser light scattered at particles contained in the flow is evaluated. In order to measure these changes in light frequency, the edge of a molecular absorption line is used for frequency-power conversion. The velocity corresponding changes in light power can be measured by e.g. a camera. Conventionally, a beam splitter and a second reference camera are also necessary to normalise the signals with respect to the scattered light power. As consequence, image misalignment errors and beam split errors occur, which can amount up to 20 m/s and 7 m/s, respectively.

High-resolution characterisation methods for narrow line-width fiber Bragg gratings

Special, narrow-linewidth fiber Bragg gratings (FBGs) can serve as wavelength references for both sensor applications and optical telecommunications. With line-widths of a few GHz and contrast exceeding 95%, phase-shifted FBGs offer a good alternative to etalons or gas cells as easy-to-use and cost-effective wavelength references. To enable calibration and to assess the wavelength stability of newly developed FBGs down to parts in 107, quantifying drifts caused e.g. by aging, polarisation dependence, residual sensitivity to temperature or strain, we have developed high resolution measuring methods which are linked to a traceable wavelength. We present results from three complementary methods based on Fourier Transform spectroscopy, tunable laser spectroscopy and a new laser stabilisation technique using polarisation modulation. For the central wavelength of phase-shifted FBGs we achieved an accuracy below 10-7.